microbiologia

Microbiologia: storia della microbiologia

La microbiologia come disciplina scientifica è una materia relativamente giovane. Il problema dell'affermarsi della microbiologia come disciplina è l'oggetto dello studio. La microbiologia studia e descrive forme di vita piccole, che nella maggior parte dei casi non sono visibili a occhio nudo. Quindi ciò che noi non vediamo abbiamo la tendenza a dire che non esiste.

Già dai filosofi greci, c'era la sensazione di dire che c'era qualcosa di molto piccolo che causava problemi. In modo empirico l'uomo ha sempre utilizzato i microorganismi, ad esempio per fare il formaggio. Si inizia a parlare di microbiologia con l'avvento dei microscopi. Il primo strumento che ha fatto sì che si vedessero i microorganismi è il microscopio.

Contributi storici

Nel 1700 Lewenhock, ricco mercante olandese con la passione delle scienze naturali, si pose una domanda: “Se c'è una pozzanghera, per caso ci può essere vita all'interno di questa pozzanghera qualcosa che io non vedo. Come posso fare?” sviluppa questo strumento. Lo strumento di Levenhock faceva sì che in corrispondenza dell'occhio c'era una lente che ingrandiva e il campione era montato su uno spillo. La lente era montata su un foro. Il campione su uno spillo e la messa a fuoco avviene attraverso tutta una serie di viti.

Lewenhock ha costruito tutti i suoi strumenti manualmente. Costruiva tutti gli strumenti in base al campione che doveva osservare. Strumenti diversi per campioni differenti. Levenhock scrisse tutta una serie di lettere descrivendo quello che aveva fatto e quello che osservava destinate all'accademia delle scienze reali Inglese. Per Scienze Reali si intende la nobiltà inglese che si dilettava in scienze. Chiaramente le lettere che provenivano da un plebeo, un commerciante, non erano degne di nota ma queste lettere non venivano cestinate, bensì archiviate. Negli archivi quindi si sono ritrovate le sue lettere. Ha disegnato le forme che lui vedeva degli organismi, addirittura ha osservato che si potevano muovere spostare. Questi strumenti riuscivano a avere un potere di ingrandimento fino a 300 volte. Il limite di ingrandimento di un microscopio ottico, oggigiorno, è di circa 1000/1100 volte. Per cui, lo strumento di Levenhock era uno strumento valido.

Generazione spontanea e confutazioni

Questo periodo è attiva una grossa discussione scientifico-filosofica perché riguarda una diatriba sulla “generazione spontanea”. Nella teoria della generazione spontanea alcuni sostenevano che “alcuni organismi viventi in particolare le mosche ad esempio potevano nascere, generarsi da materia organica in decomposizione”. L'esempio che loro portavano era prendere un pezzo di carne, lasciarlo in un posto e dopo pochi giorni si riempe di mosche.

In questa discussione entrano Spallanzani e Redi, due scienziati italiani. Redi, per dimostrare il contrario, prende un retino abbastanza fitto, copre il pezzo di carne e guarda caso da quel pezzo di carne non nascono mosche. Non nascono mosche perché il retino è fitto e impedisce alle mosche di posarsi e depositare le uova. Teoria della generazione spontanea confutata. I sostenitori della teoria della generazione spontanea sostenevano che i batteri si formassero spontaneamente. Portando ad esempio, il brodo di carne che una volta fatto e lasciato aperto per qualche giorno era pieno di colonie batteriche.

Spallanzani allora prepara il suo brodo, lo prende, lo mette in un contenitore, lo chiude con un tappo ermetico, scalda il barattolo e lo lascia lì e i batteri non si formano. Il brodo resta limpido. Spallanzani dice che i batteri non si riproducono spontaneamente ma ci sono arrivati dall'aria e poi si riproducono. Spallanzani ha fatto l'esperimento per confutare la teoria della generazione spontanea, l'ha pubblicato, l'ha diffuso. Uno scienziato francese, Apert, legge il lavoro di Spallanzani e pensa che sia una buona cosa prendere gli alimenti e chiuderli in contenitori ermetici e scaldarli così da far fuori i microrganismi e far durare di più un alimento e così è.

Alcuni studiosi della scienza che analizzano il periodo storico in cui vive Apert fanno un ulteriore passo che può essere vero, non vero o in parte vero sul fatto che Apert, vivendo nell'età napoleonica, nel periodo in cui Napoleone sta studiando la possibilità di una campagna di Russia, uno dei problemi fondamentali del periodo è dar da mangiare alle truppe. Come assicurare la possibilità delle vettovaglie alle truppe che sono così lontane? La possibilità di conservare gli alimenti a lungo con questo sistema potrebbe aver influito sulla scelta di Napoleone di svolgere poi questa campagna.

Pasteur e l'affermazione della microbiologia

I sostenitori della teoria generazione-spontanea concordano in parte con l'idea di Spallanzani ma dicono che manca l'aria, serve l'ossigeno per la vita. Quindi questo è il motivo per cui il brodo resta limpido. Pasteur, padre della microbiologia, fa un ulteriore esperimento, mette il suo brodo all'interno di palloni di vetro, poi il collo di questo fiasco viene piegato con il calore, a “collo di cigno” però questa è una piegatura che non sigilla non chiude. Poi scalda, il calore uccide i microrganismi presenti e poi lascia lì questo pallone e il brodo resta limpido a tempo indeterminato.

Il contatto con l'aria c'è quindi questa è la prova finale che la teoria della generazione spontanea non ha ragione di esistere perché in questo caso l'aria arriva ma gli organismi sono stati uccisi, non ne arrivano di nuovi per cui questo resta limpido. La cosa ancora più importante è che ad un certo punto se uno prende questo pallone e lo inclina, fa arrivare il liquido nella parte iniziale del collo e poi lo raddrizza. In breve tempo questi palloni, il terreno è colonizzato da batteri perché i microorganismi ci sono, sono presenti nell'aria e l'aria che entra nel pallone se li porta dietro ma poiché il percorso è a curve per cui l'aria non ce la fa a trasportarli e li deposita nella parte iniziale di questo collo. Pasteur dimostra che i microrganismo sono presenti nell'aria.

Questo è molto importante perché ci permette di passare al lato pratico della microbiologia. Pasteur è il primo che studio l'uso industriale dei microrganismi. Lui studia in modo preciso i lieviti, le loro funzione, a livello industriale. Nello stesso tempo, studia il rapporto tra i microrganismi e le malattie infettive. Pasteur visse nella metà dell'ottocento quando in Europa paese industrializzato, all'avanguardia giravano come malattie il colera, la peste, tubercolosi, tifo. Malattie che oggi sono quasi sconosciute, lì c'erano le epidemie. Pasteur capisce che queste sono malattie infettive c'è una trasmissione. Purtroppo ci vorranno più di 100 anni prima di trovare una cura per queste malattie. La tubercolosi era veramente una piaga sociale, colpiva in modo estremamente ampio e brutto le persone più debole e Pasteur inizia a sviluppare e le modalità di trasmissione. Altri studiosi che hanno seguito le orme di Pasteur riescono a scoprire la sorgente dell'epidemia di peste in un pozzo contaminato. Bloccando quel pozzo hanno ridotto l'epidemia di tifo. La peste portata da pulci nei ratti.

Contributi alla medicina

In sala operatoria, il chirurgo era un segaossa, era quello che era bravo a amputare un arto e la bravura risiedeva nella capacità di farlo il più velocemente possibile perché il paziente era sveglio. Agli inizi del 1800 la chimica scopre le proprietà del cloroformio, dell'etere che hanno proprietà di addormentare. Il chirurgo poteva anche effettuare operazioni più complesse, il problema era che il paziente puntualmente moriva, perché si sviluppavano infezioni. A metà del 1800 un medico inglese, Lister, propone, dopo aver letto il saggio di Pasteur in cui dice che ci sono i microrganismi nell'aria, di trattare l'aria in cui si opera con uno spray al fenolo. Il fenolo è una molecola potentissima antimicrobico molto efficace. Ben presto, le operazioni fatte in queste condizioni, avevano risultati decisamente superiori rispetto a prima.

Si iniziano a avere le prime basi di sepsi chirurgica ma ci vorranno anni. Ancora nei primi anni '90 negli ospedali passavano le ostetriche o i medici da una partoriente all'altra senza mai lavarsi le mani, il risultato è c'era una forte mortalità per febbre puerperale cioè malattie infettive dovute a questa scarsa igiene.

Koch e la batteriologia medica

Koch è il padre della batteriologia medica, mette le basi molto precise e organizzate dello studio dei batteri in campo medico. Sviluppa quelli che sono i Postulati di Koch. Koch studia la tubercolosi, l'agente responsabile della tubercolosi, il bacillo della tubercolosi. Il bacillo della tubercolosi è un bacillo molto fastidioso da crescere, ha una crescita lenta e se non si sta attenti l'ambiente in cui viene fatto crescere è facilmente contaminato da altri organismi che crescono più velocemente. Lui dimostra una serie di postulati per provare in modo inequivocabile che il bacillo della tubercolosi è responsabile della malattia.

• Il primo microrganismo usato deve essere presente in ogni caso della malattia ma non deve essere presente negli organismi sani. Koch per dimostrare questo, sviluppa una tecnica di colorazione specifica tutt'ora utilizza per individuare il bacillo della tubercolosi in campioni di tessuto polmonare o sputo. Lui dimostra che il batterio tubercolosis è presente negli individui malati ma non è presente negli individui sani.
• Va isolato e coltivato in coltura pura cioè solo lui senza la presenza di altri microrganismi. Koch lo fa utilizzando un terreno a base di sangue coagulato perché creano un ambiente favorevole (agar sangue).
• Questo microrganismo cresciuto in laboratorio deve essere inoculato in animali di laboratorio deve sviluppare la stessa malattia. Koch prende delle cavie le inocula il microrganismo già cresciuto, queste si ammalano, si prendono la tubercolosi.
• Da questi animali ammalati deve essere isolato lo stesso microrganismo. Lui lo dimostra e chiude il ciclo. Questo è l'iter che poi viene utilizzato per vedere il rapporto tra un microrganismo e una determinata malattia.

Caratteristiche dei microrganismi

• Sono all'origine di tutte le forme viventi, perché la cellula procariota è il primo tipo di cellula che compare e solo dopo questo periodo di tempo compaiono anche le cellule eucariote.
• La diversità tra i vari tipi di microrganismi (filogenetica) è molto molto più ampia rispetto a quella vegetale e animale. La variabilità genetica è generata dalla riproduzione che a sua volta ha bisogno del tempo. Più divisioni ci sono più variabilità è creata. I batteri dividendo si ogni 30/60 minuti ovviamente creano più variabilità.
• Sono ovunque in qualunque posto in cui ci sia acqua in stato liquido.
• Sono necessarie per le trasformazioni della vita (cicli geotermici).
• Modificano la geosfera, sono coinvolte nella formazione di montagne.
• Possono influenzare il clima.
• Sono coinvolti in simbiosi con piante e animali. Questa simbiosi è fondamentale per la vita.
• Possono causare malattie.
• In alcuni casi, è stato visto che possono influenzare il comportamento delle piante o degli animali perché la loro riproduzione simbionti all'interno dell'organismo possono rilasciare molecole che poi vanno a influenzare il comportamento o dell'organismo vegetale o animale.

Uso dei microrganismi

Si ha un enorme uso dei microrganismi in vari settori. L'uso dei microrganismi è ampiamente diffuso:

A livello industriale, molte volte sono utilizzati per svolgere reazioni chimiche. Ci sono dei processi industriali dove la reazione biologica operata dai microrganismi o da enzimi prodotti dai microrganismi è interconnessa con pure reazioni chimiche. Ad esempio la sintesi del cortisone a livello chimico. Il costo è stato notevolmente abbassato soprattutto perché uno dei passaggi difficili di questa reazione chimica è stato reso più semplice semplicemente usando gli enzimi di origine microbica. A livello industriale, i microrganismi vengono utilizzati per superare passaggi che la pura reazione chimica rallenterebbe. La modificazione genetica dei microrganismi ormai è ampiamente discussa come strumento per arrivare a qualcosa o come strumento fine a se stesso per contenere la produzione di qualche molecola. Es. insulina per diabetici. Oppure i vaccini.

A livello alimentare, il loro uso è usato dalla notte dei tempi. Ad esempio, il latte fermentato, lo yogurt ecc. Da un punto di vista storico, che vantaggio ha questo cambiamento delle caratteristiche del latte? Il latte è un alimento estremamente ricco è un ambiente meraviglioso per la proliferazione di un numero enorme di microrganismi. Quando noi diciamo che il latte è andato a male vuol dire che i lattobacilli che ci sono dentro hanno fatto la fermentazione acida e lo hanno rovinato come gusto. Questo succede in frigo. A temperatura ambiente, se avviene questa fermentazione, viene cambiato il pH del latte.

Nelle popolazioni nomadi del deserto, che vivono in zone estremamente calde, scoprono che se lo fanno fermentare cambia il pH e si conserva molto più a lungo. È cambiato l'ambiente i microrganismi non possono più proliferare quindi dura più a lungo. Un altro esempio, sono i crauti. I crauti sono cavoli che sono stati fatti fermentare. C'è una fermentazione microbica. Il risultato di questo processo è avere questa verdura che si mantiene molto più a lungo.

Perché è tipico del nord Europa? Andando indietro nel tempo, quando la navigazione era a vela e i marinai partivano e stavano in mare per tanto tempo, una malattia di cui soffrivano era lo Scorbuto, dovuto dalla mancanza di vitamina C. La vitamina C è presente negli agrumi ma anche nei cavoli cappuccio ma cresce solo nel periodo estivo, per conservarlo più a lungo hanno sviluppato questo metodo di conservazione. Possono costituire una importanza in campo ambientale, della salute pubblica. Ad esempio in tutti gli impianti di depurazione delle acque urbane ci sono delle vasche in cui ci sono “fanghi attivi” o “scatole nere”.

Dentro queste scatole nere si trova un ambiente in cui proliferano molti microrganismi che eliminano sostanze tossiche inquinanti presenti nelle acque che fluiscono in questi impianti di depurazione. A livello ambientale, ci sono molte procedure più valide o meno valide per utilizzare i microrganismi in campo di biorisanamento ambientale perché hanno una vastità metabolica infinita. Possono mangiare naftalina, idrocarburi ecc. L'uso di microrganismi come arma biologica e bioterrorismo. Microrganismi come armi biologiche si incontrano anche nel medioevo quando c'erano le città con le mura che veniva assediate e il nemico voleva fiaccare la resistenza di cui era nella città e per far questi si serviva di catapulte in cui venivano posati i cadaveri dei morti di peste e lanciati nella città.

Cellula procariota

Foto sezione sottile di cellula eucariota e procariota sx. A livello di cellula eucariota nell'immagine si nota molte strutture definite, si vede una organizzazione mentre nell'immagine della cellula procariota si vede qualcosa di non ben definito. Nell'interno si vede qualcosa di non ben definito, l'unica cosa che appare un po' più chiara è il patrimonio genetico DNA della cellula. La preparazione del campione fa perdere un po' di acqua alla cellula per cui nell'immagine si può vedere chiaramente anche il rivestimento della cellula più esterno spesso che è la parete cellulare. Sotto la parete a stretto contatto col citoplasma si vede la membrana citoplasmatica.

La differenza principale tra cellula eucariota e cellula procariota è che la cellula eucariota ha il nucleo che contiene il patrimonio genetico, la cellula procariota è priva di nucleo il DNA è diffuso nel citoplasma. In biologia, al pari di fisica e chimica si è cercato di ricavare delle regole, un aspetto che però non si afferra è che a differenza della fisica e della chimica la biologia studia organismi viventi e una caratteristica fondamentale della vita è che cambia in continuazione, può cambiare strategie. Allora, regole di carattere biologico non è detto che siano dei dogmi o universalmente valide.

Il mondo procariote è diviso in due grossi gruppi: Bacteria e Archea. Sono due domini diversi tra loro. Nel 90% dei casi noi parleremo della cellula Bacteria.

• Bacteria e Archea sono differenti a livello di parete e di membrana.
• I batteri sono sensibili agli antibiotici. La maggior parte degli antibiotici è inutile sugli archea. Sono insensibili agli antibiotici.
• Gli enzimi che gli archea usano per la sintesi delle macromolecole (acidi nucleici, RNA) sono più simili a quelli che troviamo negli eucarioti piuttosto che quelli che si trovano nei batteria.
• Per quanto riguarda gli organismi patogeni, fino a oggi tutti i patogeni che sono stati identificati appartengono al dominio dei batteria, al dominio degli archea non appartiene a oggi nessun microrganismo patogeno.
• A livello degli archea troveremo gruppi particolari cosiddetti estremofili perché molti archea ma non tutti vivono in ambienti estremi, condizioni ambientali estreme.

Dimensioni della cellula procariota

La cellula procariota ha dimensioni dell'ordine dei micron (10^-9 metri). Sono visibili non a occhio nudo ma utilizzando microscopia ottica. Esempi: E. Coli (1x3 micron), cianobatteri (8x50 micron). Ci sono anche batteri più piccoli di questi e anche più grandi di questi. Generalmente, la cellula eucariote è più grande della procariote ma in caso ... è il contrario. Questo riesce a arrivare al mezzo millimetro quasi visibile a occhio nudo. Come mai le cellule batteriche di dimensioni grandi sono così rare?